Κινέζοι επιστήμονες κατάφεραν να λύσουν ένα παλιό αίνιγμα στην κβαντική οπτική, δημιουργώντας μια μικροσκοπική συσκευή που εκπέμπει ζεύγη φωτονίων κατόπιν παραγγελίας, με πρωτοφανή καθαρότητα και αποδοτικότητα. Αυτό το επίτευγμα θα μπορούσε να αλλάξει τα δεδομένα στον κβαντικό “αγώνα δρόμου”.
Οι συσκευές μονού φωτονίου ωριμάζουν ταχύτατα, αλλά πλέον η επιστημονική κοινότητα επικεντρώνεται στις αποδοτικές πηγές διπλού φωτονίου, οι οποίες μπορούν να ανοίξουν τον δρόμο για πιο ευκρινή ιατρική απεικόνιση, αδιάσπαστη κρυπτογράφηση και αισθητήρες επόμενης γενιάς. Για παράδειγμα, στις μετρήσεις ακριβείας, η χρήση δύο φωτονίων μπορεί να διπλασιάσει τη χωρική ανάλυση σε σύγκριση με ένα μόνο φωτόνιο.
Η πρόκληση με τα παραδοσιακά κβαντικά “κουκκίδες” – μικροσκοπικές δομές που συχνά αποκαλούνται «τεχνητά άτομα» – ήταν η δυσκολία να εκπέμπουν μόνο δύο φωτόνια τη φορά. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το Πεκίνο βρήκε έναν καινοτόμο τρόπο που προσφέρει εξαιρετικά ισχυρή αποδοτικότητα εκπομπής διπλού φωτονίου.
Υπό συνθήκες παλμικής διέγερσης, η νέα τους πηγή εκπομπής μπορεί να πετύχει το 98,3% των εκπεμπόμενων φωτονίων να εμφανίζονται σε ζεύγη, με αποδοτικότητα παραγωγής 29,9%. Αυτά τα αποτελέσματα, σύμφωνα με τον επικεφαλής ερευνητή, αντιπροσωπεύουν την τρέχουσα «διεθνώς κορυφαία επίδοση» στον τομέα.
Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε αυτήν την εβδομάδα στο Nature Materials, προέρχεται από μια ομάδα της Ακαδημίας Επιστημών Πληροφορικής Κβαντικής του Πεκίνου, υπό την ηγεσία του επικεφαλής επιστήμονα Yuan Zhiliang, σε συνεργασία με ερευνητές από το Ινστιτούτο Ημιαγωγών της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών.
Ο Ding Fei, επιστήμονας από το Πανεπιστήμιο Leibniz στη Γερμανία, έγραψε σε ένα ερευνητικό σημείωμα στην ίδια έκδοση ότι ήταν «πραγματικά εντυπωσιασμένος από το αποτέλεσμα που παρουσιάζεται εδώ». «Αυτή η εργασία, χωρίς αμφιβολία, σηματοδοτεί μια σημαντική πρόοδο προς την καθοριστική παραγωγή καταστάσεων αριθμού φωτονίων», πρόσθεσε.
«Τα συστήματα διεστραμμένων διπλών φωτονίων παραμένουν αιώνια συγχρονισμένα τόσο στον χρόνο όσο και στην ενέργεια. Αυτή η ιδιότητα αποδεικνύεται ανεκτίμητη στις μετρήσεις ακριβείας και την κβαντική απεικόνιση», δήλωσε ο Yuan.
Η τρέχουσα δημοφιλής μέθοδος για την παραγωγή ζευγών διδύμων φωτονίων περιλαμβάνει τη χρήση κρυστάλλων μη γραμμικής συμπεριφοράς: ένα λέιζερ υψηλής ενέργειας «χτυπά» τον κρύσταλλο, χωρίζοντας ένα φωτόνιο σε δύο χαμηλότερης ενέργειας. Αυτά τα φυσικά διεστραμμένα ζεύγη συγχρονίζονται σε χρόνο, πόλωση ή ορμή, τροφοδοτώντας την κβαντική κατανομή κλειδιών και τα πειράματα διεστραμμάτων. Ωστόσο, η τυχαία τους παραγωγή, η χαμηλή αποδοτικότητα και ο θόρυβος πολλαπλών φωτονίων απαιτούν δύσκολη οπτική φιλτράρισμα.
«Οι πηγές φωτός μη γραμμικών κρυστάλλων είναι εγγενώς πιθανοκρατικές, εκπέμποντας κάποιες φορές ένα μόνο ζεύγος, κάποιες φορές δύο ζεύγη ή ακόμα και πολλαπλά ζεύγη», σημείωσε ο Yuan.
Οι ημιαγωγοί κβαντικές κουκκίδες είχαν πάντα τη δυνατότητα να παράγουν ζεύγη φωτονίων. Ωστόσο, τις ταλαιπωρούσε ένας επίμονος φυσικός περιορισμός: μόλις ένας ηλεκτρόνιο διεγερθεί, γίνεται εξαιρετικά ασταθής. Βιάζεται να ακτινοβολήσει ένα μόνο φωτόνιο και να φύγει πριν καν φτάσει το «ταίρι» του.
Για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα του Yuan βρήκε μια ευφυή λύση, καθοδηγώντας την κβαντική κουκκίδα σε μια μακρόβια κατάσταση που ονομάζεται «σκοτεινό εξιτόνιο», η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως μια μυστική αίθουσα αναμονής. Ο Yuan παρομοίασε τη διαδικασία με ένα πέρασμα όπου μοναχικοί πεζοί περνούν αμέσως – τις περισσότερες φορές, βλέπεις μόνο έναν τη φορά. Τώρα, έχουν βρει έναν τρόπο προσθέτοντας μια πύλη με διπλές κλειδαριές: ανοίγει μόνο όταν φτάνουν δύο μαζί, επιτρέποντάς τους να περάσουν ως ζεύγος.
Παγίδευσαν μια μεμονωμένη κβαντική κουκκίδα μέσα σε έναν υπερλεπτό οπτικό πυλώνα, στενότερο από την ανθρώπινη τρίχα. Χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ ρυθμισμένους σωστά, καθοδηγούν τους ηλεκτρονίους σε μια ζώνη αναμονής που δεν διαρρέει εύκολα φως. Από εκεί, το σύστημα φορτώνει αποτελεσματικά μια κατάσταση «διεξιτονίου» που διασπάται σε μια αλληλουχία, εκπέμποντας δύο φωτόνια σχεδόν ταυτόχρονα.
Οι εργαστηριακές δοκιμές έδειξαν ότι το 98,3% του συλλεχθέντος φωτός ήταν καθαρά ζεύγη φωτονίων, με ρεκόρ αποδοτικότητας παραγωγής σχεδόν 30%.
Ενώ τα μεμονωμένα φωτόνια τροφοδοτούν ήδη πρωτότυπα κβαντικά δίκτυα, τα ζεύγη φωτονίων αποτελούν βασικό σύνδεσμο για πραγματικές άλματα. Για παράδειγμα, στην ιατρική απεικόνιση επόμενης γενιάς, καθώς αυτά τα δίδυμα φωτόνια συσχετίζονται χρονικά, δηλαδή η γέννηση του ενός προαναγγέλλει την άφιξη του άλλου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για απεικόνιση με αντοχή στον θόρυβο. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει βιολογικές σαρώσεις εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης που δεν καταστρέφουν ευαίσθητους ιστούς.
Στα τυπικά οπτικά καλώδια, οι πληροφορίες αποστέλλονται ως παλμοί φωτός που μπορούν να υποκλαπούν και να αντιγραφούν. Σε ένα κβαντικό δίκτυο, τα διεστραμμένα ζεύγη φωτονίων μπορούν να λειτουργήσουν ως ο φύλακας ασφαλείας: εάν ένας χάκερ προσπαθήσει να «ακούσει» ένα φωτόνιο, η κατάσταση του «συντρόφου» του διαταράσσεται αμέσως.
Για τον Yuan, ωστόσο, τον επιστήμονα από την Ακαδημία Επιστημών Πληροφορικής Κβαντικής του Πεκίνου, το ταξίδι μόλις ξεκίνησε. Ως επόμενο βήμα, η ομάδα του σχεδιάζει να αυξήσει περαιτέρω την ποιότητα των ζευγών φωτονίων, ενώ παράλληλα θα αναζητήσει νέα υλικά για να αυξήσει τη θερμοκρασία λειτουργίας αυτής της νέας συσκευής από την περιοχή του υγρού ηλίου (κάτω από 10 Kelvin) στην περιοχή του υγρού αζώτου (πάνω από 77 Kelvin), ώστε να ξεκλειδώσει μεγαλύτερες δυνατότητες εφαρμογής.
